Microînotătorii artificiali pot schimba stilul de propulsie cu ajutorul luminii
Cercetătorii au dezvoltat o metodă care permite modificarea în timp real a stilului de înot al microînotătorilor artificiali, făcând posibilă comutarea unei singure particule microscopice între moduri de propulsie inspirate de bacterii și de alge. Astfel, o proprietate care era fixată în timpul producției a devenit un parametru programabil.
Studiul, publicat în Nature Communications, a fost realizat de fizicieni de la Universitatea Leipzig și Universitatea Charles din Praga. Echipa este condusă de profesorul Frank Cichos, iar Lisa Rohde, cercetătoare doctorală și primul autor al lucrării, a explicat că rezultatele ajută la înțelegerea a ceea ce înseamnă în realitate un înotător „optim”. Constrângerile fizice ale mecanismului de propulsie pot împiedica un microînotător să atingă optimul teoretic, iar astfel de constrângeri există și în natură. Aceasta ar putea explica de ce evoluția a produs strategii de înot la bacterii care, deși nu sunt „optime pe hârtie”, sunt extrem de răspândite și de eficiente.
Cum funcționează comutarea stilului de înot
Microînotătorii folosiți în experimente sunt sfere transparente de câțiva micrometri, acoperite cu particule minuscule de aur. Când sunt iluminate cu laser, particulele de aur acționează ca surse de căldură individual controlabile. Laserul poate încălzi suprafața particulei, dar nu o poate răci, iar această constrângere s-a dovedit esențială.
Prin proiectarea unor modele de intensitate luminoasă adaptate și ajustate în timp real în funcție de mișcarea particulei, cercetătorii controlează distribuția temperaturii pe suprafața sferei. Acest model de temperatură propulsează particula și determină totodată câmpul de curgere din jurul ei. Schimbarea modelului de lumină modifică curgerea, astfel încât aceeași particulă poate acționa ca un „împingător” într-un moment și ca un „trăgător” în următorul.
Bacteriile precum E. coli se propulsează folosind flageli aflați în spate, împingându-se înainte, în timp ce algele precum Chlamydomonas bat flageli aflați în față, trăgându-se prin fluid. Bacteriile folosesc un fel de „tracțiune spate”, în timp ce algele folosesc „tracțiune față”, generând câmpuri de curgere complet diferite.
Constrângeri fizice și eficiență
Rohde a subliniat un rezultat contra-intuitiv: la aceeași putere a laserului, cel mai lent stil de înot este de fapt cel mai eficient atunci când se urmărește atingerea unei anumite viteze. Faptul că suprafața poate fi doar încălzită, niciodată răcită, schimbă fundamental modul în care poate fi optimizată propulsia.
Cichos, șeful Grupului de Nanofotonică Moleculară, a explicat că până acum caracterul hidrodinamic al unui microînotător era fixat în momentul producției, asemenea structurii corporale a unui animal. Acum, lumina poate fi folosită pentru a-l schimba în timp real și pentru a-l adapta la mediu atunci când este nevoie.
Experimentele privind comportamentul colectiv al materiei active, de la turbulența bacteriană la roiuri, erau până acum practic imposibile cu înotători convenționali cu proprietăți fixe. Această situație este pe cale să se schimbe. Rohde a menționat că echipa intenționează să combine controlul programabil cu învățarea automată, astfel încât microînotătorii să poată învăța ce stil de înot să folosească pentru o anumită sarcină. În final, ar putea fi dezvoltați microînotători adaptativi și ar putea fi înțeles mai bine modul în care înotul în mucus vâscos diferă de înotul în apă.
